/>Пьезоэлектрический эффект
В1756г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалинана его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению былоприсвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, чтопричиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, являетсянеравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристаллемеханических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство враспределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структурыи состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытиюпьезоэлектрического эффекта.
Пьезоэлектрическийэффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшимивозникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённойориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действиеммеханических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению,меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.
Образованиеэлектростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновениеэлектрической поляризации внутри него в результате воздействия механическогонапряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.
Нарядус прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том,что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникаетмеханическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля;причём величина механической деформации пропорциональна напряжённостиэлектрического поля.
Обратныйпьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т.е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикциимежду деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а припьезоэффекте — линейная. Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрикалюбой структуры и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, какпьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках, главнымобразом, кристаллических.
Пьезоэлектричествопоявляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалласопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядовэлементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальныйдипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризациидиэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центрсимметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннееравновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическимиявляются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии.Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условиемсуществования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричныекристаллы обладают им.
Пьезоэлектрическийэффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллическихдиэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферическойсимметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными подвлиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночныхкристаллов. Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллическихтекстур.
Досих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительногоколичественного описания в рамках современной атомной теории кристаллическойрешетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближённовычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.
Внастоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающаядеформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией вкристаллах. Установлена система параметров, определяющих эффективностькристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) dопределяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданномприложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяетмеханическое, возникающие в зажатом кристалле под действием электрическогополя; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение вразомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец,пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение вразомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являютсяродственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими всебя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтомуможно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d.Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристаллможет иметь несколько независимых пьезомодулей.
Вобщем виде уравнение прямого пьезоэффекта при воздействии однородногомеханического напряжения Tr записывается так:
Pi=dirTr,
ГдеPi — компонент вектора поляризации; dir — пьезомодуль; Tr — компонентмеханического напряжения.
Уравнениеобратного пьезоэффека записывается так:
Хi=dir*Er,
ГдеXi — компонент упругой деформации; Er — компонент напряжённости электрическогополя.
Каждыйпьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной егохарактеристикой является коэффициент электромеханической связи r. Квадрат этогокоэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющийся в механическойформе для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученнойна входе от источника питания.
Вомногих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства,которые описываются модулями упругости C (модулями Юнга Ею) или обратными величинами- упругими постоянными S.
Прииспользовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторыхслучаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведениерезонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего типколебания. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлениираспространения упругих волн в пьезоэлементе.
Внастоящие время известно много веществ (более 500), обнаружившихпьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находятпрактическое применение.
/>Пьезоэлектрики — монокристаллы
/>Кварц. Кварц — широко распростронённый в природе минерал, нижетемпературы 573 по Цельсию кристаллизуется в тригонально-трапецоэдрическомклассе гексагональной сингонии. Он принадлежит к энантиоморфному классу ивстречается в природе в двух модификациях: правой и левой.
Похимическому составу кварц представляет собой безводный диоксид кремния (SiO2)молекулярная масса 60,06.
Кварцотносится к числу наиболее твёрдых минералов, обладает высокой химическойстойкостью.
Внешниеформы природных кристаллов кварца отличаются большим разнообразием. Наиболееобычной формой является комбинация гексагональной призмы и ромбоэдров(пирамидальные грани). Грани призмы расширяются к основанию кристалла и имеютна поверхности горизонтальную штриховку.
Годныйдля использования в пьезоэлектрической аппаратуре кварц встречается в природе ввиде кристаллов, их обломков и окатанных галек. Цвет от бесцветно-прозрачного(горный хрусталь) до чёрного (морион).
Обычноприродные кристаллы кварца содержат в себе различные дефекты, снижающие ихценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов (рутилхлорит), трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы, свили и двойники.
Внастоящее время наряду с природными используются синтетические кристаллыкварца, выращиваемые в автоклавах при повышенных температуре и давлении изнасыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.
Пьезоэлектрическиесвойства кварца широко используются в технике для стабилизации и фильтрациирадиочастот, генерирования ультразвуковых колебаний и для измерениямеханических величин (пьезометрия).
/>Турмалин. Турмалин кристаллизуется в тригонально-пирамидальномклассе тригональной сингонии. Кристаллы призматические с продольной штриховкой,удлиненные, часто игольчатой формы.
Похимическому составу турмалин представляет собой сложный алюмоборосиликат спримесями магния, железа или щелочных металлов (Na, Li, K).
Цветот чёрного до зелёного, также красный до разового, реже бесцветный. При тренииэлектризуется, обладает сильным пироэлектрическим эффектом.
Турмалиншироко распространён в природе, однако в большинстве случаев кристаллыизобилуют трещинами. Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрическихрезонаторов, встречаются редко.
Основнымпреимуществом турмалина является большее значение частного коэффициента посравнению с кварцем. Благодаря этому, а также из-за большей механическойпрочности турмалина возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты.
Внастоящее время турмалин почти не используется для изготовленияпьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерениягидростатического давления.
/>Сегнетова соль. Сегнетова соль кристаллизуется вромботетраэдрическом классе ромбической сингонии. Принадлежность кэнантиоморфному классу определяет теоретическую возможность существованияправых и левых кристаллов сегнетовой соли. Однако получаемые из отходоввиноделия кристаллы сегнетовой соли бывают только правыми.
Дляпредохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрываюттонкими пленками лака.
Пьезоэлементыиз сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей всравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях.Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическимипьезоэлементами.
/>Дигидрофосфат аммония. Дигидрофосфат аммония кристаллизуется втетрагональной сингонии. Кристаллы представляют собой комбинацию тетрагональнойпирамиды и призмы.
Кристаллыдигидрофосфата не содержат кристаллизованной воды и не обезвоживаются. При 93%относительной влажности воздуха кристаллы начинают поглощать влагу ирастворятся.
Дигидрофосфатаммония плавится при температуре 190 градусов Цельсии, однако выше 100 градусовс поверхности кристалла начинает улетучиваться аммиак. Это ограничивает верхнийпредел рабочих температур.
Внастоящее время вследствие широкого развития пьезоэлектрической керамикиприменение дигидрофосфата аммония ограничено.
/>Винокислый калий. Виннокислый калий (условное обозначение ВК)кристаллизуется в монокристаллической сингонии.
Содержащаясяв ВК кристаллизационная вода прочно связанна. Опытным путём установлено, что дотемпературы 80 градусов обезвоживание не наступает. Заметное растворение ВКначинается при 80% влажности.
Резонаторыиз ВК имеют высокие добротности и коэффициента электромеханической связи. Онимогут заменять кварц в фильтрах дальней связи.
/>Ниобат лития. Ниобат лития — синтетический кристалл,кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии.
Ниобатлития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах,отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам онпредставляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия.
Благодарясвоим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в том числе ивысокой добротности, ниобат лития является перспективным материалом дляизготовления преобразователей различного назначения. Тонкие (толщиной околоодного микрометра) пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением ввакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры,которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемниковультразвуковых колебаний СВЧ — диапазона.
/>Поликристаллическиепьезоэлектрики.
/>Пьезоэлектрические текстуры. Текстуры, представляют собойориентированную определенным образом в пространстве совокупностьпьезоэлектрических кристаллов, не имеющую центра симметрии, могут обладатьпьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэффект в текстурах сегнетовой соли был открытА. В. Шубниковым; им же были установлены основные закономерности пьезоэффекта ваналогичных средах. Пьезотекстуры сегнетовой соли, получаемые нанесениемрасплава сегнетовой соли на подложку с помощью кисти, имеют один пьезомодульd14 сегнетовой соли.
Внастоящее время такие текстуры не представляют практического интереса.Наибольшее значение имебт текстуры на основе поляризованной пьезоэлектрическойкерамики.
/>Пьезоэлектрическая керамика. Сегнетоэлектрические свойства такихматериалов обуславливают возможность пьезоэлектрического эффекта. Под влияниемпостоянного электрического поля некоторая часть доменов ориентируется внаправлении приложенного поля. После снятия внешнего поля большая часть доменовудерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, которое возникаетв результате параллельной ориентации направлений поляризации доменов. Благодаряэтому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом.
Керамическаятехнология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальныхограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значенияпьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамическихпьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приемаультразвуковых колебаний.
/>Особенности технологии изготовления керамических пьезоэлементов.Отличительной чертой процесса изготовления пьезокерамических изделий являетсяих поляризация сильным постоянным электрическим полем, которое прикладываетсяобычно после нанесения электродов на спеченную заготовку, полученную одним изметодов керамической технологии.
/>Промышленные пьезокерамическиематериалы и пьезокерамические — полимеры.
Материалыс различными свойствами подразделяются на марки (по составу и характеристикам)и на функциональные группы (по назначению).
Материалыфункциональной группы 1 применяются для изготовления высокочувствительныхпьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний.Материалы функциональной группы 2 предназначены для пьезоэлементов,эксплуатирующихся в условиях сильных электрических полей или высокихмеханических напряжений. Материалы функциональной группы 3 применяются дляизготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью резонансныхчастот в зависимости от температуры и времени, а функциональной группы 4 — длявысокотемпературных пьезоэлементов.
Рассмотримтеперь свойства пьезокерамики различных типов.
/>Материалы на основе титаната бария. Титанат бария являетсясегнетоэлектриком. Пьезокерамика титаната бария (ТБ-1) широко применяется дляизготовления преобразователей, к которым не предъявляют жесткие требования потемпературной и временной стабильности характеристик. Отсутствие в рецептуре титанатабария летучих при обжиге компонентов и простота технолигии изготовленияпьезоэлементов делают этот материал по прежнему распространенным в технике.
/>Материалы на основе тверды растворов титаната — цирконата свинца.Твердые растворы титаната свинцаобладабт очень высокими значениямипьезоэлектрических характеристик. На основе этих твердых растворов былиразработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условноенаименование ЦТС (за рубежом PZT).
Технологияизготовления изделий из материалов типа ЦТС усложнена тем, что они содержат всвоем составе оксид свинца, который частично улетучивается привысокотемпературном обжиге, что приводит к плохой воспроизводимости свойств.Поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов проводят в атмосфере паров оксидасвинца, для чего заготовки помещают в плотно закрытые капсели, содержащиезасыпку из оксидных соединений свинца. Тем не менее, высокие характеристикиэтого типа материалов делают их весьма распространенными для изготовленияпьезоэлектрических преобразователей различного назначения: дляэлектроакустических приборов, ультразвуковой техники, пьезометрии, а также инекоторых видов радиотехнических фильтров.
/>Материалы на основе метаниобата свинца. Твердые растворыметаниобатов свинца и бария имеют высокую температуру точки Кюри. Материалы наих основе имебт стабильные в широком температурном интервале значенияпьезмодулей и резнансных частот. Технология изготовления изделей из них проще,чем из материалов марки ЦТС, так как входящие в состав ниобатной керамики оксидсвинца практически не летуч при обжиге.
/>Пьезоэлектрики — полимеры. Некоторые полимерные материалы в видемеханически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленокявляются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект.Среди них практический интерес представляет поливинилиденфторид (ПВДФ). Привытяжке пленок из этого полимера на 300...400% они ориентируются с образованиемособой конформации, которая после поляризации в сильном электрическом полеприобретает пьезоэлектрический эффект.
Список литературы
Справочникпо электротехническим материалам том 3
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта mini-soft.net.ru/